神經元太多訊息輸入，反而影響氣味辨識和嗅覺學習？
我們的大腦每分每秒都在辨識千萬種不同的氣味。走進便利超商，空氣中瀰漫是茶葉蛋香、夾雜著些許淡淡咖啡香，而為什麼茶葉蛋和咖啡的氣味我們能輕易分辨呢？生物的嗅覺系統中，不同的氣味分子會同時活化不同組合的感覺神經元群，最後投射到大腦嗅覺區，進而把嗅覺的訊號「展開」，使得我們得以辨識。但關鍵問題是，原本這些感覺神經元群組合中重複的編碼訊號，是如何在下游的腦區被「展開」？又有哪些因素是影響「展開」的程度？
改變輸入密度可改變擴張式編碼層的神經活動
2023 年發表於 Current Biology 的研究中，就是以果蠅的嗅覺學習迴路為模型，探討神經元數量與輸入密度如何影響氣味辨識。果蠅的大腦的嗅覺學習系統十分精巧，氣味分子首先由嗅覺受氣神經元olfactory receptor cell (ORNs)偵測，接著由 projection neurons(PNs) 將資訊投射到蕈狀體(mushroom body) 中的 Kenyon cells(KCs) 中。果蠅大腦大約有150 個PNs 對應至2,000 個KCs，但並非每個 KC 並不是都接收所有 PN 的訊號，而是通常只透過dendritic claws，接收來自不同約 5–6 個 PN 的輸入。這種將較少的輸入通道投射到大量神經元上的架構，被稱為擴張式編碼 (expansion coding)。（如圖1-(A)）
這篇研究利用基因操作的方式，實際改變果蠅嗅覺學習系統中的迴路。他們首先增加 KC 層的神經元數目，測試 expansion layer 的大小是否會影響氣味編碼。令人意外的是，即使expansion layer 變大，KC對不同氣味的活化比例不會因數量增加而改變，即維持一定的稀疏度。因此作者推測， KC 具有一定程度的發育調整能力，使每個 KC 大致維持適當的輸入密度。（如圖1-(B)）
因此，作者進一步改變 KC 接收上游訊號的dendritic claws 數目，使得每個 KC 能接收更多 PN 輸入。結果顯示，增加dendritic claws對單一氣味產生反應的 KC 比例顯著增加，而且單一 KC 也更容易同時對多種不同氣味產生反應，即對氣味較難以辨識。因此，作者得到一個結論：KC 的稀疏度和dendritic claws 調節的輸入密度大小有關，而非數量。（如圖1-(C)）
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| 圖1 (A) 果蠅嗅覺學習迴路的結構 (B) 利用 mud RNAi 方式增加KC 數目 (C) 利用 Tao RNAi 方式增加dendritic claw數目 |
神經活動的改變，是否會影響果蠅「辨識氣味」的能力？
作者進一步設計氣味學習與辨識實驗。當要區分的兩種氣味差異很大時（如：3-辛醇(3-Octanol, OCT) 和4-甲基環己醇(4-Methylcyclohexanol, MCH)），即使 KC 數大幅減少，果蠅仍可以學會氣味與獎勵之間的關聯；增加 KC 數甚至與較好的學習表現相關。這說明蕈狀體在面對神經元數量變動時，具有相當程度的穩健性。然而，當任務變成分辨兩種化學性質非常相近的氣味時（如乙酸戊酯 (Pentyl acetate,PA)、乙酸丁酯(Butyl acetate, BA)， KC擁有過多 dendritic claws的果蠅，其在精細氣味辨識任務中的表現也明顯下降。相較之下，dendritic claws 且 KC數較少仍能完成辨識。這項結果直接證實了嗅覺迴路中神經元「稀疏層的輸入密度」會影響相似氣味的「學習辨識能力」。（如圖 2）
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| 圖2、對蕈狀體迴路不同操作影響的果蠅氣味學習成效 |
因此，這篇研究提供了一個神經計算原則：感覺辨識並不是讓所有神經元都充分接收資訊，而是讓資訊以適當的稀疏度被重新組合。
撰文：饒佩書
原始論文：Ahmed, M., Rajagopalan, A. E., Pan, Y., Li, Y., Williams, D. L., Pedersen, E. A., ... & Clowney, E. J. (2023). "Input density tunes Kenyon cell sensory responses in the Drosophila mushroom body". Current Biology, 33(13), 2742-2760.
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